特異な構造相転移挙動を活用した高い製造プロセス適性を持つ高性能な有機半導体を開発

　東京大学大学院新領域創成科学研究科の岡本敏宏准教授、三谷真人特任助教、竹谷純一教授、同大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻の加藤隆史教授、富山高等専門学校物質化学工学科の山岸正和講師、筑波大学数理物質系の石井宏幸助教、北里大学理学部物理学科の渡辺豪講師、産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリは、特異な構造相転移挙動により、高溶解性・高移動度・環境ストレス耐性を実現した高製造プロセス適性かつ高性能有機半導体を開発しました。
一般に、有機半導体はベンゼン環やヘテロール環が単結合もしくは縮環したπ電子系分子からなります。半導体性能として求められる電荷輸送能の指標である移動度や用いられる電極からの電荷注入のしやすさ（電荷注入能）を向上・改善するためには、π電子系骨格の拡張とその骨格が電荷輸送に有利な２次元集合体構造を形成することが重要です。これまでの有機半導体の開発により、市販されている製品中のアモルファスシリコンよりも１桁以上高い10 cm2/Vs級の移動度を有する有機半導体が報告されています。しかしながら、高性能有機半導体分子の多くは、一般的な有機溶媒に対する溶解性が乏しく、適用できる製造プロセスが限られていることが課題でした。
研究グループでは、これまで報告されている他の有機半導体に見られない集合体構造間の特異な相転移によって、製造プロセス適性が高く高性能の有機半導体であるデシル置換セレン架橋V字型分子C10–DNS–VWを開発しました。大型放射光施設SPring-8（ビームラインBL02B1）では、C10–DNS–VWは、高溶解性で電荷輸送に不利な１次元集合体構造と低溶解性で電荷輸送に有利な２次元集合体構造の異なる2種類の集合体構造を形成することがわかりました。興味深いことに、蒸着法および塗布結晶化法などの製造プロセスの種類に関わらず、薄膜作製時には電荷輸送に有利な２次元構造が再現性よく得られ、塗布プロセスで得られた単結晶薄膜を用いたトランジスタにおいて、世界最高レベルの11cm2/Vsの移動度、良好な電荷注入特性、高環境ストレス耐性が得られました。
　今回開発したC10–DNS–VWからなる有機半導体は、蒸着法や印刷法などの各種製造プロセスに対する適合性が高く、電子タグやマルチセンサーなどの各種ハイエンドデバイス開発が加速し、次世代のプリンテッド・フレキシブルエレクトロニクス分野の起爆材料となることが大いに期待されます。
　本研究成果は、2020年８月19日付でアメリカ化学会（ACS）「Journal of the American Chemical Society」のオンライン速報版で公開されました。

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